地鐵隧道爆破給水管道動(dòng)力響應(yīng)特征

李躍華

(中鐵十七局集團(tuán)城市建設(shè)有限公司，貴州 貴陽 550025）

0 引言

城市地鐵隧道爆破區(qū)域周邊管線分布錯(cuò)綜復(fù)雜，爆破產(chǎn)生的地震波對(duì)給水管道安全運(yùn)營構(gòu)成威脅。大量科學(xué)家采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)值模擬及相似模型試驗(yàn)的方法對(duì)爆破荷載作用下管道的動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行了研究。Jie Zhang 等[1]研究了地面爆炸時(shí)埋地管道的破壞模式。Mohsen Parviz 等[2]對(duì)爆破荷載作用下埋在兩種不同土層中給水管道的動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行了分析。張震等[3]對(duì)地鐵站通道爆破開挖時(shí)混凝土管道的動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行了探討。王海濤等[4]采用相似模型試驗(yàn)對(duì)地鐵隧道爆破開挖進(jìn)行了研究，探索了裝藥量、爆心距等參數(shù)對(duì)管道動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律的影響。張黎明等[5]為爆破振動(dòng)對(duì)地下管道的影響，建立了爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)峰值速度與管道破壞的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Jong Hwa Won 等[6]基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬研究了振動(dòng)在多層管道上的傳播規(guī)律。Amir Sajjad Abedi 等[7]采用數(shù)學(xué)分析的方法來研究爆炸波作用下的管道的撓度。都的箭等[8]對(duì)爆炸沖擊作用下埋地管道上的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試分析。鐘冬望等[9]對(duì)爆炸荷載作用下聚乙烯管道動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了原型實(shí)驗(yàn)。王棟等[10]對(duì)地鐵隧道爆破開挖時(shí)臨近埋地管道的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了探索。Justin Gossard 等[11]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了爆破荷載作用下臨近既有管道的動(dòng)力響應(yīng)特征。另外，Abdollah Sohrabi-Bidar 等[12]對(duì)爆炸荷載作用下臨近天然氣管道的振動(dòng)特征進(jìn)行了測(cè)試分析。縱覽國內(nèi)外對(duì)爆炸荷載作用下臨近管線動(dòng)力響應(yīng)的研究，對(duì)復(fù)合地層條件下地鐵隧道爆破時(shí)臨近給水管道動(dòng)力響應(yīng)的研究較少。

本文根據(jù)貴陽地鐵S1 線金馬中路-東縱線區(qū)間隧道爆破工程，運(yùn)用動(dòng)力有限元模擬的研究方法，對(duì)兩種工況下臨近給水管道的動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行探討，得到的結(jié)論可以為類似工程爆破開挖時(shí)給水管道的安全閾值提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

貴陽地鐵S1 線金馬中路-東縱線區(qū)間位于貴安新區(qū)，線路出金馬中路地下空間后向東南方向行進(jìn)，暗挖下穿金馬大道，之后連續(xù)穿越山區(qū)，下穿中心大道后連接?xùn)|縱線地下空間聯(lián)絡(luò)通道。該左線聯(lián)絡(luò)通道起訖里程為：ZDK15+147.8～ZDK17+150.5，全長1988.639m；右線聯(lián)絡(luò)通道里程為：YDK15+147.8～YDK17+150.5，全長2002.7m。地下空間聯(lián)絡(luò)通道為雙洞單線結(jié)構(gòu)，左右線間距為14m，隧道拱頂埋深6.5～17m，全部采用暗挖法施工。從地表到地鐵隧道的地層為：一是雜填土（Q4ml）：雜色，分布于區(qū)間尾部既有民房、道路一帶，以粉質(zhì)黏土為主，夾雜碎塊石、建筑垃圾等，層厚0.6～3.2m。二是淤泥質(zhì)黏土（Q4al+pl）：灰黃色、灰褐色、灰黑色等，流塑狀為主，局部軟塑狀，土質(zhì)不均勻，夾少量角礫，局部含腐植物，厚1～5m 不等。該層土孔隙比大，含水量高，壓縮性高，抗剪強(qiáng)度低，力學(xué)性質(zhì)較差，穩(wěn)定性較差。三是中風(fēng)化白云巖（T1a）：灰色，肉紅色，微晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，鈣質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理面顏色為紫紅色。由于掏槽孔單次起爆炸藥量最大，因此對(duì)掏槽孔爆破時(shí)產(chǎn)生的爆破振動(dòng)進(jìn)行研究。掏槽形式為楔形，孔深為1.5m，角度為63o，炮孔間距為0.4m，炮孔排間距為0.4m，炮孔數(shù)量為6 個(gè)，單孔裝藥為0.6kg，同時(shí)起爆藥量3.6kg，炸藥卷直徑為32mm，炸藥密度為1061kg/m3，采用連續(xù)裝藥，堵塞長度為0.4m。炮孔布置如圖1所示。

2 爆破數(shù)值模型

2.1 計(jì)算模型與邊界條件

結(jié)合貴陽地鐵S1 線金馬中路-東縱線區(qū)間隧道爆破工程實(shí)際，建立復(fù)合地層地鐵隧道爆破的數(shù)值模型。由于模型對(duì)稱，建立二分之一模型進(jìn)行模擬計(jì)算，模型如圖2所示。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)炮孔布置特點(diǎn)，取單段掏槽孔最大爆破炸藥量建立模型，模型為立方體，模型長度（X 向）為1000cm，寬度（Z 向）為500cm，高度（Y 向）為2500cm。其中炮孔布置在模型左部，距左臨空面80cm；炮孔長度為150cm，炮孔個(gè)數(shù)為3 個(gè)，炮孔間距為40cm；基巖均為中風(fēng)化白云巖，巖層高度為1400cm，淤泥質(zhì)黏土高度為500cm，雜填土高度為300cm，空氣高度為300cm，給水管道埋深為200cm，管道直徑為120cm，管道壁厚為15cm。給水管道主要參數(shù)如表1所示。

表1 二種爆破工況

模型邊界條件為：模型的左面為對(duì)稱邊界，上表面為自由邊界，其他各面均為無反射邊界。使用三維實(shí)體solid164 單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元最大長度為0.6m。整個(gè)模型共劃分29507 個(gè)節(jié)點(diǎn)和25908 個(gè)單元，巖石、淤泥和雜填土單元采用Lagrange 網(wǎng)格劃分，炸藥和空氣單元采用ALE 網(wǎng)格劃分，采用流固耦合算法來定義ALE 網(wǎng)格單元和Lagrange 網(wǎng)格單元之間的連接，單位制為cm-g-μs[13]。

通過修改ANSYS/LS-DYNA 軟件K 文件中炸藥的關(guān)鍵字，來研究高爆速炸藥、低爆速炸藥二種工況下管道動(dòng)力響應(yīng)特征。

2.2 材料模型及參數(shù)

模型材料包括炸藥、給水管道、巖石、淤泥、雜填土和空氣，管道為DN1200 給水混凝土管道。工程現(xiàn)場(chǎng)采用的是2 號(hào)巖石乳化炸藥，可以應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA 中的高能炸藥材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 進(jìn)行模擬[14,15]；巖石為中風(fēng)化白云巖，選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料[16,17]；淤泥也采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料[18]；雜填土采用*MAT_DRUCKER_PRAGER 材料 ；空氣采用*MAT_NULL 材料[19]；給水管道采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE 材料模型[20]。通過爆破現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)資料和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，得到炸藥、巖石、淤泥、雜填土、空氣和給水管道物理力學(xué)參數(shù)如表2～表6所示。

表2 炸藥的物理力學(xué)參數(shù)

表3 巖石、淤泥的物理力學(xué)參數(shù)

表4 空氣的物理力學(xué)參數(shù)

表5 雜填土的物理力學(xué)參數(shù)

表6 管道的物理力學(xué)參數(shù)

炸藥爆轟的狀態(tài)方程采用JWL 方程進(jìn)行描述：

式（1）中：P為由JWL 狀態(tài)方程決定的壓力；A、B、R1、R2、ω均為與炸藥相關(guān)的材料常數(shù)；V為相對(duì)體積；E0為初始比內(nèi)能。

空氣采用NULL 材料模型，其滿足GRUNEISEN狀態(tài)方程：

式（2）中：c為剪切-壓縮波速曲線截距；P為壓力；e0為初始比內(nèi)能；μ=ρ/ρ0- 1；ρ為材料密度；S1、S2、S3為剪切-壓縮波速曲線斜率因數(shù)；γ0為UNEISEN 常數(shù)；α為初始體積修正因數(shù)；ρ0為材料初始密度。

3 計(jì)算結(jié)果分析

取給水管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)上同一個(gè)節(jié)點(diǎn)在二種工況下動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行對(duì)比分析，節(jié)點(diǎn)在模型中的位置如圖3所示。

3.1 兩種工況下給水管道內(nèi)側(cè)動(dòng)力響應(yīng)特征對(duì)比分析

兩種工況下給水管道內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)振速矢量疊加峰值如表7、圖4所示。

表7 給水管道內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)振速峰值

由表7可以得出工況2 只有在管道內(nèi)側(cè)0o和315o處節(jié)點(diǎn)振速矢量疊加峰值比工況1 小，其他節(jié)點(diǎn)均比工況1 大。工況1 節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值最大點(diǎn)位于管道內(nèi)側(cè)315o處，振動(dòng)速度峰值為0.7cm/s；最小點(diǎn)位于管道內(nèi)側(cè)270o處，振動(dòng)速度峰值為0.38cm/s。工況2 節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值最大點(diǎn)位于管道內(nèi)側(cè)135o處，振動(dòng)速度峰值為0.77cm/s；最小點(diǎn)位于管道內(nèi)側(cè)270o處，振動(dòng)速度峰值為0.43cm/s。工況1 節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值最大值比工況2 降低9.09%。

分析認(rèn)為工況1 采用低爆速炸藥與工況2 采用高爆速炸藥相比可以顯著降低爆破產(chǎn)生的地震波對(duì)給水管道內(nèi)側(cè)的影響。

由圖4可以得出工況1 和工況2 節(jié)點(diǎn)振速矢量疊加峰值量值基本一致，均位于0.3～0.8cm/s 區(qū)間，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值均不一樣。分析認(rèn)為爆炸產(chǎn)生的地震波在土-管道界面發(fā)生透射和放射，同時(shí)透射入管道的波發(fā)生多次反射和透射，導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值均不一樣。

3.2 兩種工況下給水管道外側(cè)動(dòng)力響應(yīng)特征對(duì)比分析

兩種工況下給水管道外側(cè)節(jié)點(diǎn)振速矢量疊加峰值如表8、圖5所示。

表8 給水管道外側(cè)節(jié)點(diǎn)振速峰值

由表8可以得出工況2 在管道外側(cè)0o、90o、270o、和315o處節(jié)點(diǎn)振速矢量疊加峰值比工況1 小，其他節(jié)點(diǎn)均比工況1 大。工況1 節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值最大點(diǎn)位于管道外側(cè)0o處，振動(dòng)速度峰值為0.65cm/s；最小點(diǎn)位于管道外側(cè)225o處，振動(dòng)速度峰值為0.36cm/s。工況2 節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值最大點(diǎn)位于管道外側(cè)180o處，振動(dòng)速度峰值為0.6cm/s；最小點(diǎn)位于管道外側(cè)270o處，振動(dòng)速度峰值為0.39cm/s。工況1 節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值最大值和工況2 接近。

分析認(rèn)為工況1 采用低爆速炸藥與工況2 采用高爆速炸藥相比對(duì)管道外側(cè)動(dòng)力響應(yīng)影響較小。

由圖5可以得出工況1 和工況2 節(jié)點(diǎn)振速矢量疊加峰值量值基本一致，均位于0.3～0.7cm/s 區(qū)間，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值均不一樣。分析認(rèn)為爆炸產(chǎn)生的地震波在土-管道界面發(fā)生透射和放射，同時(shí)透射入管道的波發(fā)生多次反射和透射，導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值均不一樣。

3.3 工況1 給水管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)動(dòng)力響應(yīng)特征對(duì)比分析

工況1 給水管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)節(jié)點(diǎn)振速矢量疊加峰值如表9所示。

表9 工況1 管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)節(jié)點(diǎn)振速峰值

由表9可以得出工況1 管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)節(jié)點(diǎn)振速峰值量值基本一致。

3.4 工況2 給水管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)動(dòng)力響應(yīng)特征對(duì)比分析

工況2 給水管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)節(jié)點(diǎn)振速矢量疊加峰值如表10 所示。由表10 可以得出工況2 管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)節(jié)點(diǎn)振速峰值量值基本一致，但是內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度均比外側(cè)大。

表10 工況2 管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)節(jié)點(diǎn)振速峰值

4 結(jié)論

結(jié)合貴陽地鐵金馬中路-東縱線區(qū)間隧道爆破工程，運(yùn)用動(dòng)力有限元模擬的方法，對(duì)兩種爆破工況下給水管道動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

其一，兩種工況下，管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)節(jié)點(diǎn)振速矢量疊加峰值量值基本一致，均位于0.3～0.8cm/s 區(qū)間，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值均不一樣。爆炸產(chǎn)生的地震波在土-管道界面發(fā)生透射和放射，同時(shí)透射入管道的波發(fā)生多次反射和透射，導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值均不一樣。其二，在管道內(nèi)側(cè)，工況1 節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值最大值比工況2 降低9.09%。在管道外側(cè)，工況1 節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值最大值和工況2 接近。工況1 采用低爆速炸藥與工況2 采用高爆速炸藥相比可以顯著降低爆破產(chǎn)生的地震波對(duì)給水管道內(nèi)側(cè)的影響，但是對(duì)給水管道外側(cè)影響較小。其三，工況1管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)節(jié)點(diǎn)振速峰值量值基本一致，工況2管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)節(jié)點(diǎn)振速峰值量值基本一致，但內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度均比外側(cè)大，爆破地震波更易導(dǎo)致管道內(nèi)側(cè)破壞。